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氮化镓的世界你知道多少?!

发表时间:2019-05-24 文章出处:电子发烧友人气:-

氮化镓,分子式GaN,英文名称Gallium nitride,是氮和镓的化合物,是一种直接能隙(direct bandgap)的半导体。


GaN材料的研究与应用是目前全球半导体研究的前沿和热点,是研制微电子器件、光电子器件的新型半导体材料。


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半导体行业在摩尔定律的“魔咒”下已经狂奔了50多年,一路上挟风带雨的,好不风光。不过随着半导体工艺的特征尺寸日益逼近理论极限,摩尔定律对半导体行业的加速度已经明显放缓。


未来半导体技术的提升,除了进一步榨取摩尔定律在制造工艺上最后一点“剩余价值”外,寻找硅(Si)以外新一代的半导体材料,也就成了一个重要方向。在这个过程中,氮化镓(GaN)近年来作为一个高频词汇,进入了人们的视野。


GaN和SiC同属于第三代高大禁带宽度的半导体材料,和第一代的Si以及第二代的GaAs等前辈相比,其在特性上优势突出。由于禁带宽度大、导热率高,GaN器件可在200℃以上的高温下工作,能够承载更高的能量密度,可靠性更高;较大禁带宽度和绝缘破坏电场,使得器件导通电阻减少,有利与提升器件整体的能效;电子饱和速度快,以及较高的载流子迁移率,可让器件高速地工作。


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因此,利用GaN人们可以获得具有更大带宽、更高放大器增益、更高能效、尺寸更小的半导体器件,这与半导体行业一贯的“调性”是吻合的。


与GaN相比,实际上同为第三代半导体材料的SiC的应用研究起步更早,而之所以GaN近年来更为抢眼,主要的原因有两点。


首先,GaN在降低成本方面显示出了更强的潜力。目前主流的GaN技术厂商都在研发以Si为衬底的GaN的器件,以替代昂贵的SiC衬底。该技术对于供应商来说是一个有吸引力的市场机会,它可以向它们的客户提供目前半导体工艺材料可能无法企及的性能。


让我们回顾下不同衬底风格的GaN:硅基、碳化硅(SiC)衬底或者金刚石衬底。


硅基氮化嫁:这种方法比另外两种良率都低,不过它的优势是可以使用全球低成本、大尺寸CMOS硅晶圆和大量射频硅代工厂。因此,它很快就会以价格为竞争优势对抗现有硅和砷化镓技术,理所当然会威胁它们根深蒂固的市场。


碳化硅衬底氮化镓:这是射频氮化镓的“高端”版本,SiC衬底氮化镓可以提供最高功率级别的氮化镓产品,可提供其他出色特性,可确保其在最苛刻的环境下使用。


金刚石衬底氮化镓:将这两种东西结合在一起是很难的,但是好处也是巨大的:在世界上所有材料中工业金刚石的热导率最高(因此最好能够用来散热)。使用金刚石代替硅、碳化硅、或者其他基底材料可以把金刚石高导热率优势发挥出来,可以实现非常接近芯片的有效导热面。


其次,由于GaN器件是个平面器件,与现有的Si半导体工艺兼容性强,这使其更容易与其他半导体器件集成。比如有厂商已经实现了驱动IC和GaN开关管的集成,进一步降低用户的使用门槛。


正是基于GaN的上述特性,越来越多的人看好其发展的后势。特别是在几个关键市场中,GaN都表现出了相当的渗透力。


射频(RF)领域将是GaN的主战场。氮化镓(GaN)功率半导体技术和模块式设计的进步,使得微波频率的高功率连续波(CW)和脉冲放大器成为可能。


2014年,美国雷神公司宣布其公司在下一代氮化镓射频半导体技术领域又取得一重大里程碑,研制出金刚石基GaN器件。金刚石做衬底材料,可将器件的热传导能力提升3~5倍,从而显著减少雷达、电子战装置等国防系统的成本、尺寸、重量和功耗。金刚石基GaN器件可使晶体管功率密度比传统SiC基GaN器件增加3倍,克服了阻碍氮化镓器件发挥潜力的主要障碍。该数据由10×125微米金刚石基GaN高电子迁移率晶体管测得,HEMT是组成单片微波集成电路功率放大器的基本单元,是固态射频发射器和有源电子扫描阵列的基础。


接着2016年3月,科巴姆公司与RFHIC公司将联合开发GaN大功率放大器模块,用于175千瓦固态发射机原理样机。美国与韩国开始正式合作将氮化镓用于军事雷达。有分析指出,与目前在RF领域占统治地位的LDMOS器件相比,采用0.25微米工艺的GaN器件频率可高达其4倍,带宽可增加20%,功率密度可达6-8W/mm(LDMOS为1~2W/mm),且无故障工作时间可达100万小时,更耐用,综合性能优势明显。5G的商用无疑会是GaN在射频市场发展的一个驱动力。


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根据市场研究机构Yole的预测,受5G网络部署的拉动,全球RF功率器件市场在2016年到2022年间将增长75%,年复合增长率达到9。8%;GaN将在未来5~10年成为3W以上RF功率应用的主流技术,而LDMOS的整体市场规模将下降到15%以下。


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与此同时,我们会发现,在其他RF领域,也都会有GaN的身影,作为重要的升级换代技术,向原有的半导体器件发起挑战,尤其在与砷化镓的PK中显示出绝对的3大物理特性优势:


氮化镓器件提供的功率密度比砷化镓器件高十倍:由于氮化镓器件的功率密度较高,因此可以提供更大的带宽、更高的放大器增益,并且由于器件尺寸的减少,还可提高效率。


氮化镓场效应管器件的工作电压比同类砷化镓器件高五倍:由于氮化镓场效应管器件可在更高电压下工作,因此在窄带放大器设计上,设计人员

可以更加方便地实施阻抗匹配。


氮化镓场效应管器件提供的电流比砷化镓场效应管高二倍:由于氮化镓场效应管器件提供的电流比砷化镓场效应器件高二倍,因此氮化镓场效应器件的本征带宽能力更高。


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由于氮化镓定中低功率应用,其应用市场规模要大于中高功率,因此Yole预估,氮化镓元件2015年~2021年的成长率将达83%,其中电源供应器(Power Supply)将占相当大的一部份,近六成左右,而碳化硅同期的成长则相对缓慢,成长率约在21%左右。


总结一下


氮化镓南征北战纵横半导体市场多年,无论是吊打碳化硅,还是PK砷化镓。氮化镓凭借其禁带宽度大、击穿电压高、热导率大、电子饱和漂移速度高、抗辐射能力强和良好的化学稳定性等优越性质,稳稳地占领了理论上电光、光电转换效率最高的材料体系,确立了其在制备宽波谱、高功率、高效率的微电子、电力电子、光电子等器件方面的领先地位。 

 



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